徐拓奇，劉義，賀樂和

（長沙天儀空間科技研究院有限公司，長沙 410000）

立方星是國際上廣泛用于大學(xué)開展航天科學(xué)研究與教育的一種小衛(wèi)星。最早是由美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）及多所美國大學(xué)負(fù)責(zé)研制并制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。立方星，顧名思義，是如同一個(gè)立方體一樣的衛(wèi)星，它是以10 cm×10 cm×10 cm為最小的單位1 U，常見的立方星有2 U（10 cm×10 cm×20 cm）、3 U（10 cm×10 cm×30 cm）和 6 U（20 cm×10 cm×30 cm）。一般來說，具有一定功能的立方星多為6 U立方星[1-2]。

立方星相比于傳統(tǒng)大型衛(wèi)星，具有成本低、功能密度大、研制周期短、入軌快的特點(diǎn)，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)形成星座，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋、大氣環(huán)境、船舶、航空飛行器等的監(jiān)測[3-4]。也可應(yīng)用于空間成像、通信、大氣研究、生物學(xué)研究、新技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)等方面[5-6]，具體實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 6 U立方星實(shí)物圖

立方星的設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)長壽命大型衛(wèi)星略有不同[7-9]。首先，立方星的各個(gè)電路單板都要限制在10 cm×10 cm的格子內(nèi)，對(duì)設(shè)備的體積和重量要求更加苛刻；其次，立方星為了節(jié)約成本和降低質(zhì)量與體積，簡化了冗余備份設(shè)計(jì)；第三，由于立方星設(shè)計(jì)壽命與傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比相對(duì)較短，所以一般使用經(jīng)過篩選的工業(yè)級(jí)器件。因此立方星的單機(jī)設(shè)計(jì)既要保證設(shè)備的可靠性，同時(shí)還不能過度使用冗余備份技術(shù)。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺(tái)最核心的系統(tǒng)之一，衛(wèi)星電源系統(tǒng)就如同衛(wèi)星的心臟，每時(shí)每刻都在為星上各個(gè)設(shè)備提供能源供給[10]。傳統(tǒng)的衛(wèi)星電源系統(tǒng)由太陽能電池陣、蓄電池組和電源控制器三部分組成，各個(gè)部分獨(dú)立工作。

衛(wèi)星在光照區(qū)內(nèi)，太陽電池陣通過光電效應(yīng)產(chǎn)生電能為系統(tǒng)供電，同時(shí)為蓄電池充電。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入陰影區(qū)內(nèi)時(shí)，蓄電池組放電為整星供電。目前衛(wèi)星大多使用能量密度更高的鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能元件。鋰離子蓄電池在工作過程中需要監(jiān)視各個(gè)單體的電壓變化情況，防止出現(xiàn)單節(jié)電池的過充、過放、電池充電不均衡等現(xiàn)象，造成鋰離子蓄電池組失效現(xiàn)象。

立方星大多作為搭載衛(wèi)星被安裝在火箭上，立方星都是利用運(yùn)載火箭運(yùn)送完主星后所剩余的有限的空間和有限的搭載質(zhì)量進(jìn)行搭載運(yùn)輸，因而立方星受限于體積和重量限制。為了降低體積和重力，立方星將蓄電池組和與其相關(guān)的控制與保護(hù)電路合二為一，組合電池管理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組狀態(tài)信息的采集、電池均衡控制和電池的故障隔離、主動(dòng)熱控等功能。

1 電池管理模塊的總體設(shè)計(jì)

1.1 電池管理模塊設(shè)計(jì)要求

為了保證電池管理模塊的性能要求滿足總體要求，需要在電池管理模塊設(shè)計(jì)前對(duì)其進(jìn)行定義，具體主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）小衛(wèi)星采用12～16.4 V不調(diào)節(jié)母線結(jié)構(gòu)；

（2）鋰離子電池初始容量不小于8 Ah；

（3）電池采用熱備份方式，兩組蓄電池可獨(dú)立工作；

（4）上位機(jī)可以通過總線檢測各節(jié)電池的電壓狀態(tài)，并可根據(jù)狀態(tài)進(jìn)行電池均衡；

（5）蓄電池組內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)溫度采集和主動(dòng)熱控功能；

（6）每組電池電壓均方差不大于0.1。

電池管理模塊主要包括鋰離子蓄電池組、均衡控制電路、蓄電池加熱帶幾個(gè)部分。由于CUBESAT衛(wèi)星采用12 V不調(diào)節(jié)母線，考慮采用4節(jié)鋰離子電池組串聯(lián)使用。此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用2組完全獨(dú)立的電池供電。

1.2 電池管理系統(tǒng)總體框架

電池管理系統(tǒng)總體框架如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)包括兩組完全獨(dú)立的鋰離子蓄電池組、兩組完全獨(dú)立的均衡控制電路、兩組完全獨(dú)立的信號(hào)采集電路、兩組完全獨(dú)立的放電開關(guān)電路、加熱帶及其驅(qū)動(dòng)電路和外圍接口電路。

圖2 電池管理系統(tǒng)總體框圖

接口電路與上位機(jī)電腦相連，上位機(jī)通過I2C總線讀取兩組電池的信息，通過總線控制電流均衡電路工作，通過I/O口控制加熱帶工作。當(dāng)上位機(jī)檢測到某節(jié)電池已經(jīng)不能正常工作時(shí)，關(guān)閉放電開關(guān)電路，此時(shí)該組鋰離子蓄電池組將不能工作。

1.3 鋰離子電池單體

CUBESAT小衛(wèi)星大多采購貨架電池，貨架電池的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，缺點(diǎn)是產(chǎn)品并非為航天設(shè)計(jì)，所以沒有相應(yīng)的測試和防護(hù)，上天后容易出現(xiàn)故障。為了防止在天上出現(xiàn)意外故障，需要對(duì)鋰離子電池進(jìn)行相應(yīng)的篩選和測試。經(jīng)過篩選后將電池分組配對(duì)最后組成鋰離子電池組。

傳統(tǒng)CUBEST衛(wèi)星的鋰離子電池組大多采用18650電池作為單體電池，但是受限于衛(wèi)星電池的體積和重量限制，傳統(tǒng)18650電池?zé)o法滿足容量和尺寸的要求。

電池管理模塊采用NCR20700B系列鋰離子電池實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)，該電池的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)電池容量更大，可達(dá)到4 000 mA，最大放電電流可達(dá)到15 Ah。20700系列電池相比于18650系列電池，體積比容量更大，更利于空間環(huán)境使用，具體如表1所示。

表1 常見電池單體主要參數(shù)比較表

2 電池控制與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電池控制與保護(hù)電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，它提供電池均衡功能、I2C總線通信功能、模擬信號(hào)采集功能、電池放電開關(guān)控制功能和加熱帶控制等功能。下面分別介紹各部分功能。

2.1 電池均衡控制電路

電池均衡控制電路采用bq76925電池管理芯片作為核心控制芯片。

它作為主機(jī)控制器模擬前端，可以提供3至6節(jié)鋰離子電池的均衡和保護(hù)。它可以方便地監(jiān)視單個(gè)電池的電壓、組電壓和溫度。這些信息可以被主機(jī)用來確定當(dāng)前電池組是否處于過壓、欠壓過熱和電池不均衡，從而確認(rèn)當(dāng)前單體電池工作是否正常。

電池輸入電壓經(jīng)過電平的轉(zhuǎn)移后，可以通過復(fù)用通道輸出到主機(jī)，通過主機(jī)的A/D轉(zhuǎn)化器完成對(duì)充放電電流的測試。該芯片內(nèi)部可以設(shè)置兩種不同的增益，以匹配相應(yīng)的電流，來確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為了使主機(jī)能夠進(jìn)行溫度測量，芯片提供了分開的引腳用于偏置外部電熱調(diào)節(jié)器網(wǎng)絡(luò)。此輸出的開關(guān)由主機(jī)控制以消耗最小的能量。

該芯片內(nèi)部包含一個(gè)含動(dòng)態(tài)可選閾值的比較器以監(jiān)視電流值。當(dāng)測試的參數(shù)超過閾值時(shí)，該芯片將喚醒主機(jī)，并將此結(jié)果向主機(jī)報(bào)警，等待主機(jī)的進(jìn)一步處理。

該芯片集成了由主機(jī)完全控制的電池平衡FET開關(guān)。最高50 mA的均衡電流可通過外部電阻器設(shè)定，因此可以最大限度地簡化硬件設(shè)計(jì)。

主機(jī)通過一個(gè)I2C總線接口與該芯片通信，實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制，并獲得相關(guān)參數(shù)等。

bq76925芯片內(nèi)部內(nèi)置有校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置，通過合理的參數(shù)設(shè)置，可以將精度提升至5 mV以內(nèi)，能夠有效提高系統(tǒng)的控制精度。

bq76925芯片配合電流監(jiān)測電阻，可以實(shí)現(xiàn)20 mA以內(nèi)的充放電電流精度測量。配合故障切換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)過流檢測與自動(dòng)故障排除。

本項(xiàng)目使用本芯片主要考慮商業(yè)航天資源有限，使用此款設(shè)計(jì)可以最大程度地減少體積重量。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，通過將VC3、VC4、VC5短路，使該芯片可實(shí)現(xiàn)4節(jié)電池均衡控制，這樣可以滿足系統(tǒng)對(duì)母線電壓的需求。

因整個(gè)系統(tǒng)采用的都是3.3 V供電，因此芯片的外置開關(guān)管開關(guān)電壓也設(shè)置為3.3 V。芯片所提供的VREF為bq76925本身ADC校準(zhǔn)用，需要與VCOUT信號(hào)（電池電壓讀取）和VIOUT信號(hào)（電流讀?。┙拥酵獠康腁DC芯片LTC2991I，由主機(jī)主動(dòng)讀取。具體連接如圖3所示。

圖3 電池均衡控制電路示意圖

2.2 I2C總線控制電路

因設(shè)備采用兩組bq76925芯片作為鋰離子電池均衡控制器，兩個(gè)芯片默認(rèn)I2C地址一致。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)bq76925進(jìn)行訪問，需要對(duì)I2C總線進(jìn)行擴(kuò)展。設(shè)備采用TCA9543芯片進(jìn)行擴(kuò)展。

TCA9543是一個(gè)雙通道雙向I2C總線控制芯片，該芯片內(nèi)部有兩個(gè)I2C總線通道，用戶可以通過對(duì)芯片進(jìn)行編程，選擇某一個(gè)I2C總線作為傳輸?shù)耐ǖ?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)兩路同一地址的I2C總線分別進(jìn)行管理。該芯片內(nèi)部兩個(gè)I2C通道各有一個(gè)中斷，只要其中一個(gè)中斷有效，就將中斷輸出，以保證設(shè)備正常工作。

芯片采用低電平復(fù)位，當(dāng)下游任意一個(gè)I2C總線失效后，都可以通過低電平復(fù)位實(shí)現(xiàn)解除當(dāng)前I2C總線的鎖死狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)該總線的恢復(fù)。將芯片引腳RESET拉為低電平或者采用內(nèi)部上電復(fù)位，可以復(fù)位I2C狀態(tài)機(jī)，并取消選擇兩通道。

芯片采用開關(guān)門方式限制VCC端的電壓，從而實(shí)現(xiàn)1.8 V、2.5 V和3.3 V芯片與5 V部件進(jìn)行通信而無需進(jìn)行額外的保護(hù)。外部的上拉電阻將總線上拉到每個(gè)通道所需的電壓電平，所有I/O引腳均可以承受5.5 V的電壓。

本系統(tǒng)中，上位機(jī)通過I2C接口配置TCA9543（默認(rèn)地址0×70）的寄存器選通不同的bq76925。同時(shí)，電池過流的信息通過外部中斷的方式主動(dòng)告知主機(jī)。具體電路示意圖如圖4所示。

圖4 I2C總線控制電路部分電路示意圖

2.3 模擬量采集控制電路

設(shè)備采用LTC2991作為電壓電流量采集芯片。LTC2991是一款用于監(jiān)測溫度、電壓和電流的芯片。通過I2C串行總線傳輸信息。芯片內(nèi)部可檢測8路電壓，也可以通過差分檢測電壓電流的變化。芯片內(nèi)部內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器，可以檢測到當(dāng)前環(huán)境溫度的變化情況。

LTC2991是一款高精度溫度傳感器和雙電源監(jiān)控器。它將外部二極管傳感器的溫度或其自身的芯片溫度轉(zhuǎn)換為模擬輸出電壓，同時(shí)消除了由于噪聲和串聯(lián)電阻引起的誤差。將兩個(gè)電源電壓和測得的溫度與電阻分壓器設(shè)置的上限和下限進(jìn)行比較。如果超過閾值，則設(shè)備會(huì)通過拉低相應(yīng)的漏極開路邏輯輸出來傳達(dá)警報(bào)。

LTC2991通常在現(xiàn)代數(shù)字設(shè)備中內(nèi)置的NPN或PNP晶體管或溫度二極管提供了±1℃的準(zhǔn)確溫度結(jié)果。電壓以1.5%的精度進(jìn)行監(jiān)控。另外，芯片采用1.8 V的參考輸出簡化了閾值編程，并可用作ADC參考輸入。

LTC2991采用緊湊的3 mm×3 mm QFN封裝，為溫度和電壓監(jiān)控提供了一種準(zhǔn)確的低功耗解決方案。

主機(jī)通過I2C接口讀取LTC2991 ADC芯片的寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、蓄電池各節(jié)電壓及電流信息的檢測。

2.4 電池故障切換機(jī)制

系統(tǒng)中兩組鋰離子電池采用熱備份的方式工作，為了保證系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)一組鋰離子蓄電池在軌工作過程會(huì)出現(xiàn)故障后，需要將存在問題的一組鋰離子蓄電池進(jìn)行切除。

考慮到鋰離子蓄電池在充電和放電過程中均可能存在失效，但是在充電過程中出現(xiàn)失效后，造成的后果會(huì)更嚴(yán)重。另外從系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)可靠性和合理性角度考慮，鋰離子電池采用充電切除方式，即如果某鋰離子失效，系統(tǒng)通過控制器切換將不再為該節(jié)鋰離子電池充電。

為了保證系統(tǒng)的可靠性，主機(jī)采用兩個(gè)位置較遠(yuǎn)的GPIO產(chǎn)生一組電池的控制信號(hào)。

正常上電后，需要發(fā)指令允許蓄電池充電，控制信號(hào)BPX_SWITCH1此時(shí)為高電平，此時(shí)驅(qū)動(dòng)三極管Q6導(dǎo)通，此時(shí)Q4和Q6的控制端為低電平。Q4和Q6為PMOS管，低電平導(dǎo)通，此時(shí)如果外部電壓高于蓄電池電壓，蓄電池將被充電。放電方向因本體二極管的作用，是始終導(dǎo)通的，具體如圖5所示。

圖5 電池故障切換部分電路圖

因此，主機(jī)需要采用記憶邏輯，每次啟動(dòng)后都要先打開正常的電池組充電開關(guān)。

3 電池篩選設(shè)計(jì)

為了保證鋰離子蓄電池組上天后能正常工作，需要對(duì)電池單體的性能進(jìn)行篩選。鋰離子電池單體按照1∶5的比例進(jìn)行采購，采購回來后進(jìn)行篩選，并將篩選后的電池作為實(shí)驗(yàn)電池使用。

電池的篩選設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中非常重要，篩選設(shè)計(jì)需要考慮以下三個(gè)方面：

（1）批次篩選。

批次篩選是指在同一批次的電池中隨機(jī)抽取5只電池，對(duì)各個(gè)電池進(jìn)行多次（50次）0.5C充放電循環(huán)測試，如果發(fā)現(xiàn)5只電池中有至少1只電池容量與平均電池容量比下降了10%以上，則說明該批次電池穩(wěn)定性不好，則不能使用該批次電池進(jìn)行篩選。

（2）瑕疵剔除。

瑕疵剔除是指剔除在電池單體生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的微小瑕疵。這些微小的瑕疵在地面上使用不會(huì)產(chǎn)生任何負(fù)面影響，但是如果在航天上使用則會(huì)影響電池組的正常使用。這些微小瑕疵主要包括外觀瑕疵（如表面有輕微劃傷，表面有多余物等）、機(jī)械尺寸瑕疵（電池尺寸不滿足要求）、重量瑕疵（電池重量不能滿足要求）、內(nèi)阻瑕疵（直流內(nèi)阻對(duì)于每一個(gè)電池單體的直流內(nèi)阻應(yīng)該小于35 mΩ）、28天荷電保持率（測試電池在充滿后28天，對(duì)該單體進(jìn)行測試，測試該單體電壓保持應(yīng)達(dá)到93%以上）、充放電效率瑕疵（對(duì)單體電容進(jìn)行3次1 C的充電和放電測試，測試后計(jì)算充放電效率，效率均應(yīng)大于98%，則無瑕疵）。

（3）一致性優(yōu)選。

一致性優(yōu)選設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)合格電池進(jìn)行優(yōu)中選優(yōu)。在完成上述測試后的電池進(jìn)行一致性優(yōu)選。

采用0.2 C充放電倍率對(duì)鋰離子電池進(jìn)行4次充放電測試，取后3次充電容量結(jié)果求平均值。然后對(duì)各節(jié)電池計(jì)算的充電容量平均值排序，取中間測試結(jié)果作為可以使用的電池。在確定組合時(shí)，盡量選用容量臨近的電池進(jìn)行組合。

經(jīng)過篩選和測試后對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行組裝，組裝后具體如圖6所示。

圖6 組裝完成后電池管理系統(tǒng)

4 衛(wèi)星在軌測試數(shù)據(jù)及分析

2019年12月7日16時(shí)52分，搭載了小衛(wèi)星電池管理系統(tǒng)的長沙天儀研究院TY18衛(wèi)星使用快舟一號(hào)甲運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。截止到2020年12月8日，衛(wèi)星在軌運(yùn)行整整一年的時(shí)間。通過一年來衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，篩選衛(wèi)星工作狀態(tài)一致的條件下蓄電池的狀態(tài)，通過這些數(shù)據(jù)可以了解電池工作及運(yùn)行情況。具體數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 一號(hào)組衛(wèi)星電池在軌測試數(shù)據(jù)表

表3 二號(hào)組衛(wèi)星電池在軌測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)表2和表3所提供的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出每組電池中各節(jié)電池的標(biāo)準(zhǔn)差，具體根據(jù)公式（3）計(jì)算均值，根據(jù)公式（4）計(jì)算組內(nèi)各個(gè)電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算結(jié)果如表4、表5所示。

表4 一號(hào)組電池在軌工作標(biāo)準(zhǔn)差表

表5 二號(hào)組電池在軌工作標(biāo)準(zhǔn)差表

根據(jù)表2、表3和表4、表5所示，電池在軌測試數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：

（1）從表4表5中可以看出，從2019年12月9日衛(wèi)星發(fā)射入軌到2020年12月8日，兩組鋰離子電池電壓均值均在4.07 V左右，說明衛(wèi)星電源系統(tǒng)工作良好，能夠?yàn)檎翘峁┳銐虻哪茉矗?/p>

（2）鋰離子電池在衛(wèi)星在軌工作過程中，若出現(xiàn)單組電池故障，系統(tǒng)將切除故障電池以保證安全，而該組電池將永久性失效。從表2至表5的測試數(shù)據(jù)上看，兩組電池均工作正常，因此電池管理模塊在軌工作期間未發(fā)生失效情況，說明電池管理模塊整體上可靠性較高；

（3）從表4和表5的數(shù)據(jù)中可以看到，鋰離子電池組1和電池組2工作一年后，各組電池的均方差均小于0.1，說明各節(jié)電池在電池管理模塊的管理下能夠穩(wěn)定工作，采用電池管理模塊后，電池由于不均衡造成的電壓差，得到了有效抑制，整個(gè)電池管理模塊能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；

（4）根據(jù)表4和表5中電池電壓均方差值變化可以看出，數(shù)值從最初的接近0.006上升到最后的接近0.008。因此可知，隨著衛(wèi)星在軌時(shí)間的延長，電池的不均衡性總體趨勢是越來越大的，采用了電池均衡技術(shù)可以有效對(duì)電池的不均衡進(jìn)行抑制。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套基于立方星的電池管理模塊，可實(shí)現(xiàn)CUBESAT小衛(wèi)星采用的12 V不調(diào)節(jié)母線結(jié)構(gòu)，上位機(jī)可以通過總線檢測各節(jié)電池的電壓狀態(tài)，并可根據(jù)狀態(tài)進(jìn)行電池均衡。電池組采用熱備份方式，兩組蓄電池可獨(dú)立工作，蓄電池組內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)溫度采集和主動(dòng)熱控功能，每組電池電壓均方差不大于0.1 V。通過衛(wèi)星在軌試驗(yàn)表明，研制的電池管理模塊能夠滿足衛(wèi)星在軌工作的要求，在軌工作狀態(tài)良好。